(57)【要約】【課題】ストライプ状の開口部を備えた電流狭窄層を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、安定した素子特性を得ることができる素子構造を提供すること。【解決手段】窒化ガリウム系化合物半導体から成る活性層のｐ側又はｎ側に、（ａ）Ａｌを含みかつ電流狭窄層３０よりもＡｌ比率の小さな窒化ガリウム系化合物半導体から成る第１の半導体層２２と、（ｂ）第１の半導体層２２の上に形成された、第１の半導体層２２よりもＡｌ比率の小さな窒化ガリウム系化合物半導体から成る第２の半導体層２４と、（ｃ）ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を形成し、第２の半導体層２４をエッチバックによって電流狭窄層３０の開口部３２から除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子であって、
前記電流狭窄層は、
Ａｌを含む第１の半導体層と、
該第１の半導体層上に積層され、Ａｌを含まない若しくは前記電流狭窄層よりもＡｌ混晶比が小さな第２の半導体層の上に形成されてなり、
前記第２の半導体層は、前記電流狭窄層の開口部において部分的に除去されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２】
ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子であって、
前記電流狭窄層は、
Ａｌを含む第１の半導体層と、
該第１の半導体層上に積層され、Ａｌを含まない、若しくは、前記第１の半導体層よりもＡｌ混晶比が小さな第２の半導体層の上に形成されてなり、
前記第２の半導体層は、前記電流狭窄層の開口部において部分的に除去されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３】
ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子であって、
前記電流狭窄層は、
Ａｌを含む第１の半導体層と、
該第１の半導体層上に積層され、Ａｌを含まない、若しくは、前記電流狭窄層及び前記第１の半導体層よりもＡｌ混晶比が小さな第２の半導体層の上に形成されてなり、
前記第２の半導体層は、前記電流狭窄層の開口部において部分的に除去されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第２の半導体層が、Ｉｎを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記第２の半導体層の不純物濃度が５×１０１７／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第２の半導体層が、アモルファス又は多結晶であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記第１の半導体層の膜厚が、１０Å以上３００Å以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項８】
前記第２の半導体層の膜厚が、１０Å以上３００Å以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ。
【請求項９】
前記電流狭窄層が前記活性層のｐ側に形成されており、かつ、前記開口部を埋める半導体層が、前記第１の半導体層の下側に接する層と同等若しくは低い屈折率を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記電流狭窄層が前記活性層のｐ側に形成されており、かつ、前記開口部を埋める半導体層が、前記第１の半導体層の下側に接する層と同等若しくは高い不純物濃度を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記電流狭窄層が前記活性層のｐ側に形成されており、かつ、前記開口部を埋める半導体層が、前記第１の半導体層の下側に接する層と同等若しくは高い温度であって、且つ前記活性層の結晶性を維持する温度で成長されたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記第１の半導体層の下側に接する層が光ガイド層であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前記電流狭窄層が前記活性層のｐ側に形成されており、かつ、前記第１の半導体層は、前記活性層に接して形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１４】
ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子であって、
前記電流狭窄層は、前記電流狭窄層よりもＡｌ混晶比が小さい半導体層から成る成長下地層の上に形成されてなり、
該成長下地層は、前記電流狭窄層よりも低い温度で分解し、かつ、前記電流狭窄層の開口部において部分的に除去されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１５】
前記成長下地層は、その下に接している層よりも不純物濃度が高いことを特徴とする請求項１４に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１６】
前記成長下地層は、その下に接している層よりも高い比率のＩｎを含むことを特徴とする請求項１４又は１５に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１７】
前記成長下地層が、アモルファス又は多結晶であることを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１８】
前記成長下地層の膜厚が、１０Å以上３００Å以下であることを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項１９】
前記電流狭窄層が前記活性層のｐ側に形成されており、かつ、前記開口部を埋める半導体層が、前記成長下地層の下側に接する層と同等若しくは低い屈折率を有することを特徴とする請求項１４乃至１８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２０】
前記電流狭窄層が前記活性層のｐ側に形成されており、かつ、前記開口部を埋める半導体層が、前記成長下地層の下側に接する層と同等若しくは高い不純物濃度を有することを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２１】
前記電流狭窄層が前記活性層のｐ側に形成されており、かつ、前記開口部を埋める半導体層が、前記成長下地層の下側に接する層と同等若しくは高い温度であって、且つ前記活性層の結晶性を維持する温度で成長されたことを特徴とする請求項１４乃至２０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２２】
前記成長下地層の下側に接する層が光ガイド層であることを特徴とする請求項１４乃至２１のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２３】
前記電流狭窄層は、前記積層体の側面及び／又は端面から離間するよう形成されていることを特徴とする請求項１乃至２２のいずれか１項の記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２４】
前記電流狭窄層が、前記活性層のｐ側に形成されたことを特徴とする請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２５】
前記電流狭窄層の膜厚が、１００Å以上、５００Å以下であることを特徴とする請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２６】
前記開口部を埋める半導体層が、実質的にＡｌを含まない窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項１乃至２５のいずれか１項に窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２７】
前記開口部を埋める半導体層が、光ガイド層であることを特徴とする請求項１乃至２６のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２８】
前記光ガイド層が、実質的にＡｌを含まないことを特徴とする請求項２２又は２７に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項２９】
前記電流狭窄層の開口部上方における転位密度が、電流狭窄層の上方における転位密度よりも低いことを特徴とする請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３０】
前記電流狭窄層が、ＡｌＮから成ることを特徴とする請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３１】
前記ｐ側半導体層は、その最表面と少なくとも一部が接するように形成されたｐ側オーミック電極を有し、該ｐ側オーミック電極の幅が前記開口部の幅以上で、前記電流狭窄層の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至３０のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３２】
前記ｐ側オーミック電極は、レーザ光の導波方向と略平行な方向の長さが、前記電流狭窄層の長さよりも短いことを特徴とする請求項１乃至３１のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子。
【請求項３３】
ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
活性層のｐ側又はｎ側に、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．１，０．１≦ｙ１≦１、０．１≦ｘ１＋ｙ１≦１）から成る第１の半導体層を形成する工程と、
前記第１の半導体層の上に、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１，０≦ｙ２≦０．１、０≦ｘ２＋ｙ２≦１）から成る第２の半導体層を形成する工程と、
前記第２の半導体層の上に、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦０．１，０．５≦ｙ３≦１、０．５≦ｘ３＋ｙ３≦１）から成る電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層の一部を前記第２の半導体層に到達する深さまで除去することにより、ストライプ状の開口部を形成する工程と、
前記電流狭窄層から露出している前記第２の半導体層を、前記第１の半導体層に達する深さまで除去する工程と、
を備え、上記第２半導体層のＡｌ混晶比ｙ２が、ｙ２＜ｙ１、かつ、ｙ２＜ｙ１であることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３４】
前記第２の半導体層を、前記第１の半導体層よりも低温で分解するように形成することを特徴とする請求項３３に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３５】
前記第２の半導体層を、前記第１の半導体層よりも低温で形成することを特徴とする請求項３４に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３６】
ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、
活性層のｐ側又はｎ側に、Ｉｎｘ’Ａｌｙ’Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦０．１、０≦ｘ’＋ｙ’≦１）から成る成長下地層を形成する工程と、
前記成長下地層の上に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成る電流狭窄層を形成する工程と、
前記電流狭窄層の一部を前記成長下地層に達する深さまで除去することにより、ストライプ状の開口部を形成する工程と、
前記電流狭窄層から露出している前記成長下地層を、該成長下地層の下側に接する層が露出する深さまで除去する工程と、
を備えたことを特徴とする窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３７】
前記成長下地層を、該成長下地層の下側に接する層よりも低温で分解するように成長することを特徴とする請求項３６に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３８】
前記成長下地層を、該成長下地層の下側に接する層よりもＩｎ混晶比が高くなるように形成することを特徴とする請求項３６又は３７に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項３９】
前記電流狭窄層の一部を、ウエットエッチングによって除去することを特徴とする請求項３４乃至３８のいずれか１項に記載の窒化物半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層が窒化ガリウム系化合物半導体から成る窒化物半導体レーザ素子に関し、詳細には、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ＜１）から成る電流狭窄層を備えた窒化物半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、紫外領域から赤色領域に至るまで幅広い波長領域で発振が可能であり、光ディスクシステムの光源、レーザプリンタ、光ネットワーク等の光源として期待されている。従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザは、水平横モードを制御するためのストライプ構造として、活性層上のクラッド層等にストライプ状のリッジを形成するリッジ導波路構造を取るのが一般的であった。
【０００３】
しかしながら、リッジ導波路型は、リッジ部分の機械的強度が弱いため、特にフェースダウン実装を行った場合に不良が発生し易い。また、リッジ部の寸法によってしきい値電流やビーム形状等が変動するため、特性の安定したレーザを製造することが難しい。そこで、リッジ導波路型に換えて、電流通路となるストライプ状の開口部を設けた絶縁層（＝電流狭窄層）を活性層の上方に形成することにより、水平横モード制御を行うことが検討されている。
【０００４】
例えば、活性層のｐ型光ガイド層内にＡｌＮから成る電流狭窄層を形成した窒化ガリウム系化合物半導体レーザが提案されている。このレーザのストライプ構造は、次のようにして製造される。まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉内において、ｐ型光ガイド層まで形成した素子の上にＡｌＮから成る電流狭窄層を４００℃〜６００℃で形成し、次に反応炉から取出して、アルカリエッチング溶液を用いたフォトリソグラフィプロセスによってストライプ状の開口部を形成した後、再びＭＯＣＶＤ装置の反応炉に戻して、ｐ型光ガイド層を成長して電流狭窄層の開口部を埋込み、さらにｐ型クラッド層等を順次積層する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３１４２０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の窒化ガリウム系化合物半導体レーザでは、電流狭窄層にストライプ状の開口部を形成する工程を、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉からウエハを取出して行うことが必要になる。反応炉から取出されたウエハは、空気等の外部雰囲気に露出されるため、半導体層の表面に酸化層等の反応層ができてしまう。このような反応層が残存すると素子性能が低下するため、ウエハをＭＯＣＶＤ装置に戻して半導体の再成長を行う際に、反応層をエッチング除去する作業（以下、「エッチバック」）が必要となる。このエッチバックは、一般に、反応炉内でウエハを高温に保ち、還元ガスである水素ガスを吹き付けることによって行われる。
【０００７】
ところが、半導体層の表面に形成される反応層の膜厚や質にはウエハ間でのバラツキやウエハ内のチップ間でのバラツキがあるため、反応層のみを安定して除去することが難しい。エッチバックが不十分となって再成長界面に反応層が残ると素子特性が低下する。特に、電流狭窄層の開口部に反応層が残った場合、残った反応層によって電流が不均一に流れるため、発光状態が不均一となる。一方、エッチバックが過剰になると、反応層だけでなく、その下の半導体層（例えば、特許文献１ではｐ型光ガイド層）にまでエッチングが進行する。この状態で再成長が行われると、下地の半導体層が光ガイド層である場合には導波路コア部が薄くなり、光閉込めを良好に行うことができない。また、オーバーエッチングによって開口部の段差が大きくなるため、段差の影響によって再成長した半導体層の組成が不均一となり、素子特性が悪化する。
【０００８】
そこで本発明は、ストライプ状の開口部を備えた電流狭窄層を有する窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて、安定した素子特性を得ることができる素子構造とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本件第１発明は、ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子であって、前記電流狭窄層は、（ａ）Ａｌを含む第１の半導体層と、（ｂ）該第１の半導体層上に積層され、Ａｌを含まない若しくは前記電流狭窄層よりもＡｌ混晶比が小さな第２の半導体層の上に形成されてなり、前記第２の半導体層は、前記電流狭窄層の開口部において部分的に除去されていることを特徴とする窒化物半導体レーザ素子。
【００１０】
また、本件第１発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法は、ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、（ａ）活性層のｐ側又はｎ側に、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．１，０．１≦ｙ１≦１、０．１≦ｘ１＋ｙ１≦１）から成る第１の半導体層を形成する工程と、（ｂ）前記第１の半導体層の上に、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１，０≦ｙ２≦０．１、０≦ｘ２＋ｙ２≦１）から成る第２の半導体層を形成する工程と、（ｃ）前記第２の半導体層の上に、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦０．１，０．５≦ｙ３≦１、０．５≦ｘ３＋ｙ３≦１）から成る電流狭窄層を形成する工程と、（ｄ）前記電流狭窄層の一部を前記第２の半導体層に到達する深さまで除去することにより、ストライプ状の開口部を形成する工程と、（ｅ）前記電流狭窄層から露出している前記第２の半導体層を、前記第１の半導体層に達する深さまで除去する工程と、を備え、上記第２の半導体層のＡｌ混晶比ｙ２が、ｙ２＜ｙ１、かつ、ｙ２＜ｙ１であることを特徴とする。
【００１１】
本件第１発明では、電流狭窄層の下方に第１及び第２の半導体層を形成することにより、電流狭窄層の開口部への反応層の残存や過剰なエッチバックによる形状異常を防止でき、安定したレーザ特性を得ることができる。
【００１２】
即ち、第２の半導体層は、Ａｌを含まないもしくは電流狭窄層よりもＡｌ混晶比の小さい窒化物半導体から成るため、電流狭窄層に開口部を形成する際のエッチングストップ層として機能すると共に、その下側の素子層を酸素等の雰囲気ガスから保護する役割を果たし、最終的には気相成長装置内で行うエッチバックによって除去される。
【００１３】
また、第２の半導体層は、第１の半導体層よりもＡｌ混晶比が小さなことが好ましい。これにより、第２の半導体層は、気相成長装置内で行うエッチバックにおいて、その下側に接する第１の半導体層よりも早い速度でエッチバックされる。従って、電流狭窄層の開口部への反応層の残存や過剰なエッチバックによる形状異常を防止でき、安定したレーザ特性を得ることができる。尚、この時、第１の半導体層は、エッチバック工程におけるエッチングストップ層として機能すると共に、その下側にある素子層をガスエッチングから保護する役割を果たす。
【００１４】
一方、本件第２発明は、ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子であって、前記電流狭窄層は、前記電流狭窄層よりもＡｌ混晶比が小さい半導体層から成る成長下地層の上に形成されてなり、該成長下地層は、前記電流狭窄層よりも低い温度で分解し、かつ、前記電流狭窄層の開口部において部分的に除去されていることを特徴とする。
【００１５】
また、本件第２発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法は、ｎ側半導体層、活性層、ｐ側半導体層からなる積層体の内部に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、ストライプ状の開口部を有する電流狭窄層を備え、前記電流狭窄層及び前記開口部の上に半導体層が形成された窒化物半導体レーザ素子の製造方法であって、（ａ）活性層のｐ側又はｎ側に、Ｉｎｘ’Ａｌｙ’Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’≦０．１、０≦ｘ’＋ｙ’≦１）から成る成長下地層を形成する工程と、（ｂ）前記成長下地層の上に、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成る電流狭窄層を形成する工程と、（ｃ）前記電流狭窄層の一部を前記成長下地層に達する深さまで除去することにより、ストライプ状の開口部を形成する工程と、（ｄ）前記電流狭窄層から露出している前記成長下地層を、該成長下地層の下側に接する層が露出する深さまで除去する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
本件第２発明では、電流狭窄層の下側に、Ａｌ比率の低い成長下地層のみを設け、その成長下地層の結晶性を成長下地層の下側に接する層よりも低くすることによって、電流狭窄層の開口部への反応層の残存や過剰なエッチバックによる形状異常を防止し、安定したレーザ特性を得る。
【００１７】
即ち、成長下地層は、電流狭窄層よりもＡｌ比率の低い窒化物半導体から成るため、電流狭窄層に開口部を形成する際のエッチングストップ層として機能すると共に、その下側の素子層を酸素等の雰囲気ガスから保護する役割を果たし、最終的には気相成長装置内で行うエッチバックによって除去される。また、成長下地層は、その下側に接する層よりも結晶性が低くなるように形成されているため、エッチバックにおいて下側の層よりも速い速度で除去される。従って、反応層の残存や過剰なエッチバックを防止して、安定なレーザ特性を得ることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザの好ましい実施形態について説明する。各図中、同一の符号は同一又は対応する部材を示す。
【００１９】
尚、本件明細書において、窒化ガリウム系化合物半導体レーザの下側とは、レーザを構成する半導体層の成長開始側を指し、上側とは、半導体層の成長終了側を指す。半導体層の成長方向は転位の進行方向にほぼ一致するため、レーザ素子内において、転位の開始側が下側となり、転位の終端側が上側となる。
【００２０】
また、本件明細書において窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性が良いとは、ウエットエッチングによるエッチピット測定においてエッチピット密度が相対的に少ない状態、又は、ウエットエッチングによって相対的に除去されにくい状態を指す。
【００２１】
実施の形態１
図１は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。サファイア等の異種基板２の上に、ＧａＮから成るｎ側コンタクト層４、ＡｌＧａＮから成るｎ側クラッド層６、ＧａＮからなるｎ側光ガイド層８、Ｉｎを含む井戸層を有する多重量子井戸活性層１０、ＧａＮから成るｐ側光ガイド層１２、ＡｌＧａＮから成るｐ側光クラッド層１４、ＧａＮから成るｐ側コンタクト層１６が形成されている。ｐ側光ガイド層１２の中には、ストライプ状の開口部３２を有する電流狭窄層３０が形成されている。電流狭窄層３０は、Ａｌ比率が０．５以上の高抵抗の窒化ガリウム系化合物半導体から成り、開口部３２における活性層１０に電流を集中してレーザの水平横モードを制御する役割を果たしている。
【００２２】
図２（ａ）及び（ｂ）は、電流狭窄層３０近傍の構造をより詳細に示す部分拡大断面図である。図２（ａ）に示すように、Ｉｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体層から成る活性層１０の上に、Ａｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成るキャリア閉込層１１が５０〜１５０Åの薄膜に形成され、その上にＧａＮから成るｐ側光ガイド層１２が形成されている。ｐ側光ガイド層１２は、電流狭窄層３０の下側にある第１ｐ側光ガイド層１２ａと第２ｐ側光ガイド層１２ｂから成る。第１ｐ側光ガイド層１２ａの上に第１の半導体層２２及び第２の半導体層２４を介して電流狭窄層３０が形成されており、電流狭窄層３０と第２の半導体層２４を貫通して開口部３２が形成されている。そして、開口部３２を埋めるようにして、第２ｐ側光ガイド層１２ｂが形成されている。
【００２３】
電流狭窄層３０は、Ａｌ比率が０．５以上と高いため、高抵抗であるだけでなく、結晶性が悪い。そのため、図２（ａ）に模式的に示すように、電流狭窄層３０の上方に形成されたｐ側クラッド層１４やｐ側コンタクト層１６にも転位４０が高い密度で発生し、電流が流れにくい状態となる。即ち、電流狭窄層３０は、それ自身の抵抗による電流狭窄効果だけでなく、その上方にある半導体層の結晶性を低下させることによる電流狭窄効果も併せて奏する。従って、電流狭窄層３０は、１００〜５００Åの比較的薄膜に形成しても、自身の高抵抗な性質と低い結晶性との相乗的な効果によって、効果的に電流狭窄を行うことができる。
【００２４】
電流狭窄層３０の下側にある第２の半導体層２４は、Ａｌ混晶比が電流狭窄層３０よりも小さな窒化物半導体から成り、電流狭窄層３０にフォトリソグラフィによって開口部３２を形成する際のエッチングストップ層として機能すると共に、素子層を酸素等の雰囲気ガスから保護する役割を果たし、最終的には気相成長装置内で行うエッチバックによって電流経路から除去される。
【００２５】
即ち、第２の半導体層２４は、そのＡｌ比率が電流狭窄層３０よりも低いため（好ましくはＡｌ比率が０．１以下）、Ａｌ比率が０．５以上である電流狭窄層３０との間にアルカリ溶液に対するエッチング速度差を有しており、電流狭窄層３０に対してアルカリ溶液を用いたエッチング行う際には、エッチングされずに残存する。従って、電流狭窄層３０に開口部３２を形成する際のエッチングストップ層として機能し、過剰なエッチングの発生を防止することができる。また、第２の半導体層２４は、Ａｌ比率が低い窒化物半導体から成るため、大気中に含まれる酸素等に対する反応速度が遅い。そのため、第２の半導体層２４は、気相成長装置の外部で行うフォトリソグラフィのプロセスにおいて、その下にある第１の半導体層を酸素等の雰囲気ガスから有効に保護することができる。
【００２６】
一方、第２の半導体層２４自身の表面には、電流狭窄層３０を除去する際のエッチングや大気等の雰囲気に曝されることによってダメージが残る。しかしながら、本実施の形態における第２の半導体層は、Ａｌ比率が第１の半導体層２２よりも低い窒化物半導体から成る結果、水素等の還元ガスに高温下で曝すと容易に分解する。従って、ダメージの残った第２の半導体層２４は、気相成長装置内で行うエッチバックによって電流経路である開口部３２から容易に除去される。
【００２７】
これに対し、第１の半導体層２２は、気相成長装置内で電流狭窄層３０上への再成長前に行うエッチバックにおいて、エッチングストップ層として機能すると共に、その下側にある第１ｐ側光ガイド層１２ａをガスエッチングから保護する役割を果たす。即ち、第１の半導体層２２は、Ａｌ比率が第２の半導体層よりも高い窒化ガリウム系化合物半導体から成るため、水素等の還元性ガスに高温で曝されても容易に分解されない。このため、気相成長装置内で行うエッチバックを長時間行い、ダメージが残った第２の半導体層２４が完全に除去されるようにしても、第１の半導体層２２でエッチバックが止まり、第１ｐ側光ガイド層１２ａが過剰なエッチングから保護される。
【００２８】
また、第１の半導体層２２は、最終的に活性層１０への電流経路に残存するが、Ａｌ比率が電流狭窄層と同等あるいはそれよりも小さく、また、好ましくは電流狭窄層よりも高温で成長されているため、電流狭窄層３０と比べて結晶性が良く、抵抗が低い。また、第１の半導体層２２は、エッチバックのストップ層として機能し得る最低限の膜厚があれば足りるため、活性層１０への電流注入を阻害しない程度の薄膜に形成することが可能であり、レーザの閾値電流も殆ど上昇しない。
【００２９】
このように、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザによれば、第１の半導体層と第２の半導体層が相補的に作用する結果、電流狭窄層３０の開口部への反応層の残存や過剰なエッチバックによる形状異常を防止でき、安定したレーザ特性を得ることができる。
【００３０】
また、第１及び第２の半導体層によって過剰なエッチバックが防止される結果、図２（ａ）に示すように、電流狭窄層３０の上に形成する層の平坦度が向上し、素子特性が向上する。この平坦度の向上には、電流狭窄層３０の結晶性が低いことも寄与している。即ち、電流狭窄層３０の結晶性が低い結果、電流狭窄層３０上方の領域３８に比べて、開口部３２上方の領域３６の方が結晶の成長速度が速くなる。従って、図２（ａ）に示すように、第２ｐ側光ガイド層１２ｂによって凹部である開口部３２内を容易に平坦に埋めることができる。第２ｐ側光ガイド層１２ｂが平坦となることにより、その上に形成するｐ側クラッド層１４やｐ側コンタクト層１６の組成不均一が抑制され、各々の層が持つ機能が向上する。特に、ｐ側クラッド層１４が超格子構造を有する場合、その下に接する層となるｐ側光ガイド層１２の表面に段差があると超格子構造が乱れるため、第２ｐ側光ガイド層１２ｂが開口部３２を平坦に埋めることが重要である。
【００３１】
さらには、図２（ｂ）に示すように、開口部３２上方の領域３６の膜厚を電流狭窄層３０上方の領域３８より厚く形成することも可能である。即ち、電流狭窄層３０の結晶性が低い結果、電流狭窄層３０上方の領域３８に比べて、開口部３２上方の領域３６の方が結晶の成長速度が速くなるため、その成長速度差が大きくなれば、開口部２３上方の領域３６の方が厚くなる。開口部３２上方の領域３６を厚くすることは、導波路内への光閉込めに有利である。図２（ａ）又は（ｂ）のような膜厚分布の制御は、電流狭窄層３０の結晶性を調整することによって行うことができる。電流狭窄層３０の結晶性は、電流狭窄層３０のＡｌ比率や成長温度によって制御することができる。即ち、電流狭窄層３０のＡｌ比率が高い程、また成長温度が低い程、電流狭窄層３０の結晶性が低下する。
【００３２】
一方、図２に示す構造において、第１及び第２の半導体層がない場合、第１ｐ側光ガイド層１２ａへの反応層の残存や過剰なエッチバックが起きやすくなる。図３は、ｐ側光ガイド層１２ａに過剰なエッチバックが起こった場合の構造を示す断面図である。本実施の形態において、ｐ側光ガイド層１２ａはＧａＮから成るため、水素等の還元ガスに高温で曝されると容易に分解する。このため、一旦過剰なエッチバックが起きると、図３に示すように、Ａｌを含む窒化物半導体から成るキャリア閉込層１１まで容易にエッチバックが進行する。ｐ側光ガイド層１２の全膜厚は、一般に１５００〜２０００Åであるため、７５０Å〜１０００Åの過剰なエッチバックが起きることになる。このため、図２（ｂ）の場合と逆に、電流経路となる領域３６における導波路コア部の膜厚が、その周辺領域３８に比べて薄くなり、光閉込効率が低下する。また、電流狭窄層３０の端部で大きな段差が発生することになるため、段差部へのＡｌの偏析等の組成不均一が生じ易くなる。また、ｐ型クラッド層１４が超格子から成る場合、段差の影響によって正常な超格子構造が維持できなくなる問題も生じる。
【００３３】
以下、各層の好ましい膜厚や組成について詳述する。
［第１の半導体層］
第１の半導体層２２は、Ａｌ比率が電流狭窄層３０と同等、若しくは、それよりも小さく、第２の半導体層２２よりも大きな窒化ガリウム系化合物半導体から成る。即ち、第１の半導体層、第２の半導体層、電流狭窄層の組成式を、各々、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎとすると、ｙ２＜ｙ１≦ｙ３であることが好ましい。第１の半導体層２２は、Ａｌ比率が高い程、水素等の還元性ガスに対する耐性が高くなる。従って、第１の半導体層のＡｌ比率ｙ１は、０．１以上、より好ましくは０．２以上とすることが望ましい。一方、Ａｌ比率ｙ１が高くなり過ぎると、第１の半導体層の抵抗が高くなる傾向にある。第１の半導体層２２は、活性層への電流経路の一部となるため、第１の半導体層２２の抵抗が大きくなるとレーザの閾値電流が高くなり好ましくない。そこで第１の半導体層のＡｌ比率ｙ１は、０．８以下、より好ましくは０．５以下とすることが望ましい。
【００３４】
また、第１の半導体層２２は、Ｉｎ比率が低いことが好ましい。第１の半導体層２２は、導波路内に存在するため、Ｉｎを含むと活性層からの発光を吸収するからである。この観点からは、Ｉｎ比率ｘ１が０．１以下、より好ましくは０．０５以下、さらに好ましくは実質的にＩｎを含まないことが望ましい。以上より、第２の半導体層２２の好ましい組成は、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０．１≦ａ≦１）である。
【００３５】
第１の半導体層は、薄すぎてはエッチバックの際のエッチングストップ機能が不十分となり、厚すぎては抵抗が高くなる。そこで第１の半導体層の膜厚は、２０〜３００Åが好ましく、より好ましくは５０〜２００Åであることが望ましい。また、特に、第１の半導体層がＡｌＮの場合は、膜厚が約１０Å以上の厚さであればエッチングストップ層として機能することができる。
【００３６】
第１の半導体層の下側に接する層は、光ガイド層であることが好ましい。光ガイド層に接するように電流狭窄構造を形成することにより、光閉じ込めの制御が容易になる。
【００３７】
また、第１の半導体層は、後述するキャップ層と兼用することもできる。キャップ層にエッチングストップ機能を持たせることにより、Ａｌ混晶比の高い層を減らすことができるため、電圧を低下させることができる。
【００３８】
［第２の半導体層２４］
また、第２の半導体層２４は、電流狭窄層３０及び第１の半導体層２２よりもＡｌ比率が小さな窒化ガリウム系化合物半導体、即ち一般式がＩｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１，０≦ｙ２＜ｙ１、０≦ｘ２＋ｙ２＜１）の一般式で示される窒化ガリウム系化合物半導体から成る。第２の半導体層のＡｌ比率が低い程、ウエットエッチングにおける電流狭窄層３０とのエッチング速度差が大きくなり、エッチバックによる除去が容易になる。第２の半導体層２４の好ましいＡｌ比率ｙ２は、０．１以下、より好ましくは０．０５以下、さらに好ましくは実質的にＡｌを含まない組成とすることが望ましい。
【００３９】
また、第２の半導体層は、Ｉｎを含んでいることが好ましい。分解温度の低いＩｎＮを混晶に含むことにより、高温で分解し易くなり、エッチバックによる除去が容易になる。また、第２の半導体層がＩｎを含むことには、活性領域から漏れた迷光を吸収する効果もある。即ち、Ｉｎを含む窒化物半導体から成る活性層から発光された光は、同様にＩｎを含む窒化物半導体によって吸収され易い。従って、活性領域の両側を挟む第２の半導体層がＩｎを含むことにより、活性領域から漏れた迷光を吸収し、ビーム品質を向上することができる。この観点からは、第２の半導体層のＩｎ混晶比ｘ２が０〜０．２であることが好ましく、より好ましくは０．０５〜０．１５とする。ことが望ましい。以上より、第２の半導体層の好ましい組成は、ＩｎｂＧａ１−ｂＮ（０．０５≦ｂ≦０．１５）である。
【００４０】
また、第２の半導体層は、エッチバックによる除去が容易になるように、低い結晶性で成長させることが好ましい。好ましくは、第２の半導体層が多結晶又はアモルファス状態となるようにする。これにより、第２の半導体層自体が高抵抗な層となるため、その上に接して形成される電流狭窄層との相乗効果により、より優れた電流狭窄効果を得ることができる。また、第２の半導体層が電流狭窄機能の一部を担う結果、電流狭窄層の膜厚を薄くすることもできる。第２の半導体層のＩｎ比率ｘ２を高めるか、成長温度を下げることによって、第２の半導体層２４の結晶性を下げることができる。第２の半導体層２４の成長温度を下げる場合、成長温度を１０００℃未満、より好ましくは６００℃以下にすることが望ましい。
【００４１】
第２の半導体層の結晶性が低下すれば、その上に成長させる電流狭窄層３０の除去が容易になる効果もある。即ち、電流狭窄層３０の下側に接する層の結晶性が良い場合、電流狭窄層３０の結晶性が層境界近傍で部分的に高くなり、その部分がエッチングによって除去し難くなる。そこで、電流狭窄層３０の下側に接する層である第２の半導体層２４の結晶性を低くすることにより、電流狭窄層３０の結晶性を成長初期から低くして、開口部３２内における電流狭窄層３０を容易に除去することができる。特に、第２の半導体層２４が不純物を５×１０１７／ｃｍ３以上、より好ましくは５×１０１８ｃｍ−３以上含むことで、第２の半導体層２４の結晶性が低下し、電流狭窄層３０の除去が容易となる。また、第２の半導体層２４が高い濃度の不純物を含むことにより、活性層からの迷光を吸収し易くなるため、高次モードの発生を抑制し、安定したシングルモードのレーザ光とすることができる。
【００４２】
また、第２の半導体層２４は、薄すぎては第１の半導体層２２の保護が不十分となり、厚すぎては段差の影響が大きくなる。電流狭窄層と第２の半導体層によって形成される段差が大きくなると、その上方に形成されるクラッド層やコンタクト層を超格子（ＳＬ）構造にし難くなる。そのため、キャリアの移動度が低くなり、電圧が増大する。また、段差部にＡｌやＭｇ等が偏析し易くなるため、バンドギャップが高くなり、このことも電圧が高くなる原因となる。電圧が増大すると、投入電力が大きくなるため、発熱量が増し、閾値も高くなる。これらを考慮すると、第２の半導体層の膜厚は、１０Å以上３００Å以下が好ましく、より好ましくは５０Å以上２００Å以下である。
【００４３】
［電流狭窄層３０］
電流狭窄層３０は、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦０．１，０．５≦ｙ３≦１、０．５≦ｘ３＋ｙ３≦１）の一般式で示される窒化物半導体から成る。電流狭窄層３０を、ＳｉＯ２等の絶縁材料ではなく、上記一般式で表される窒化ガリウム系化合物半導体によって形成することにより、電流狭窄層３０を他の素子構造と同一の気相成長装置で成長させることが可能になる。また、電流狭窄層３０を、ＳｉＯ２等の異種材料ではなく、窒化ガリウム系化合物半導体によって構成することには、レーザのビームがリニアリティが向上するという効果もある。例えば、ＳｉＯ２をＧａＮから成る光ガイド層等に埋め込んだ場合、ＳｉＯ２の屈折率は約１．５であり、ＧａＮの屈折率は２．５であるため、両者に間に大きな屈折率差が生じ、レーザ出力のリニアリティが低下すると共に、ビームが動き易くなる。電流経路の幅を細くしてビームを安定化することもできるが、電流密度が高くなって寿命特性が低下する。これに対し、例えばＡｌＮを電流狭窄層とすれば、ＡｌＮの屈折率は２．１であり、ＧａＮの屈折率は２．５であるので、両者の間の屈折率差は小さく、リニアリティが良くなり、ビームも安定化する。
【００４４】
電流狭窄層３０のＡｌ比率ｘ３が高い程、電流狭窄層３０の絶縁性が高まると共に、その上に形成される層の結晶性が低下するため、電流狭窄効果が良好になる。従って、電流狭窄層３０のＡｌ比率ｘ３は、少なくとも０．５以上、好ましくは０．７５以上、より好ましくは０．９以上とすることが望ましい。最も好ましくは、電流狭窄層３０をＡｌＮとする。電流狭窄層３０をＡｌＮとすれば、ウエットエッチングが容易に行える、絶縁性が高いため電流狭窄効果が顕著である、屈折率が低いため光閉じ込めに有利である、放熱性が良いので素子の放熱特性が向上する、といった効果が得られる。
【００４５】
また、電流狭窄層３０は、少量のＩｎを含んでいても良い。電流狭窄層３０が少量のＩｎを含むことにより、活性層１０からの発光を吸収しやすくなる。そのような電流狭窄層３０によって活性領域を挟めば、活性領域から漏れた迷光を吸収してビーム品質を向上することができる。迷光吸収の観点からは、Ｉｎ比率ｙ３が０．０５以上、より好ましくは０．１以上であることが望ましい。但し、Ｉｎ比率は、０．５以下、より好ましくは０．３以下であることが望ましい。
【００４６】
電流狭窄層３０の成長は、結晶性が低くなるように低温で行うことが好ましい。例えば、６００℃以下成長することが望ましい。電流狭窄層３０を低温で成長することにより、アルカリ溶液等によるエッチングが容易になると共に、電流狭窄効果も向上する。また、電流狭窄層３０は、薄すぎると電流狭窄層としての機能が不十分となる。また、光閉じ込めも弱くなり、閾値が上昇する。一方電流狭窄層３０が厚すぎると、段差の影響が大きくなり、再成長時にフラットにしにくくなり、クラッド層を超格子（ＳＬ）にすることも難しくなる。そこで電流狭窄層３０は、１００Å〜５００Åの膜厚、より好ましくは１５０Å〜３００Åの膜厚を有することが望ましい。
【００４７】
また、電流狭窄層３０は、図５に示すように、その長手方向３０ａの端面がレーザ素子２の共振器端面２ａよりも内側になるように形成することが好ましい。このように共振器端面２ａまで電流狭窄層３０を形成しないことにより、共振器端面２ａにおけるエネルギー密度を低下し、ＣＯＤ（Ｃａｔａｓｔｒｏｐｈｉｃ  Ｏｐｐｔｉｃａｌ  Ｄａｍａｇｅ：光学損傷）特性を改善することができる。また、ＲＩＥやへき開によって共振器端面を形成する際に、導波路部分に形状異常やクラックが生じ難くなる。また、共振器面をエッチングによって形成する場合、電流狭窄層３０を共振器端面から離間して形成しておけば、平坦な共振器面が作り易くなる。何故なら、電流狭窄層３０の開口部には若干の段差ができてしまうため、電流狭窄層３０が共振器端面に達していると、段差の影響によって平坦なエッチング面ができにくくなるからである。
【００４８】
一方、電流狭窄層３０の横方向の側面も、図５に示すようにレーザ素子２のストライプ構造を構成する積層体側面より内側に形成することが好ましい。Ａｌ混晶比の高い電流狭窄層は、均一にエッチングしにくく、また、エッチングされた面が荒れ易くなる。そのため、電流狭窄層を他の窒化物半導体層と同じ面積に形成していた場合、ｎ電極を形成する目的で窒化物半導体層の積層体をエッチングした際に、エッチング面が荒れ易くなり、ｎ電極の接続抵抗が高くなってしまう。電流狭窄層３０を、予めストライプ構造の側面よりも内側の領域に形成しておけば、ｎ電極を形成するためのエッチングを均一に行い易くなり、抵抗を下げることができる。
【００４９】
また、電流狭窄層は、Ａｌの混晶比が高いため、その上下の層と格子定数や熱膨張係数の差が大きくなっている。電流狭窄層３０を、電流狭窄機能や光閉込機能に影響のない程度にストライプ構造を構成する積層体の端面及び／又は側面から離間した領域（即ち、内側の領域）に形成することにより、歪みを低減し、クラックの発生を抑制することができる。
【００５０】
［再成長層］
電流狭窄層３０の開口部３２を埋めて再成長させる半導体層（以下、再成長層）は、実質的にＡｌを含まない窒化物半導体、好ましくはＧａＮにすると、開口部３２を平坦に埋め易くなると共に、開口部に成長する再成長層のＡｌ不均一という問題を解消することができる。Ａｌ混晶比の不均一は、Ｍｇ等の不純物濃度の不均一よりも、レーザの素子特性への影響が顕著である。また、開口部３２を埋める再成長層としては、クラッド層よりも光ガイド層が好ましい。再成長層を光ガイド層にすることで、開口部を埋めてフラットに成長させ易く、また、超格子構造を持ったクラッド層の特性を良好にすることができる。
【００５１】
特に、電流狭窄層３０を活性層のｐ側に形成する場合、電流狭窄層３０の開口部３２を埋めて再成長させる半導体層（以下、再成長層）については、いくつかの好ましい条件がある。まず、再成長層は、第１の半導体層の下側２２に接する層と同等、若しくは低い屈折率を有することが好ましい。これにより、活性層への光閉じ込めが一層良好になる。また、再成長層は、第１の半導体層２２の下側に接する層と同等か、それよりも高い温度で、且つ、活性層の結晶性を維持するような温度で形成されたことが好ましい。成長温度を高くすることにより、再成長層の結晶性を高めることができ、抵抗を下げることができる。さらに、再成長層は、第１の半導体層２２の下側に接する層と同等か、それよりも高い不純物濃度を有することが好ましい。再成長層の不純物濃度を高くすることにより、開口部の両側の部分における迷光吸収の寄与により、レーザ光の高次モードが安定する。また、再成長層に意図的にＭｇ等のｐ型不純物を添加することにより、再成長層を好ましくｐ型にして動作電圧を低下させることができる。
【００５２】
［活性層１０］
活性層１０は、少なくとも発光領域がＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成ることが好ましく、より好ましくはＩｎＸ１Ｇａ１−Ｘ１Ｎ井戸層（０＜Ｘ１＜１）とＩｎＸ２Ｇａ１−Ｘ２Ｎ障壁層（０≦Ｘ２＜１、Ｘ１＞Ｘ２）が適当な回数だけ交互に繰り返し積層された多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。井戸層は、アンドープで形成されており、全ての障壁層はＳｉ、Ｓｎ等のｎ型不純物が好ましくは１×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープして形成されている。障壁層にｎ型不純物がドープされていることにより、活性層中の初期電子濃度が大きくなって井戸層への電子注入効率が高くなり、レーザの発光効率が向上する。活性層１０は、井戸層で終わっても良く、障壁層で終わっても良い。活性層１０には、蒸気圧の高いＩｎＮが比較的多量に混晶されているため、分解し易く、他の層よりも低温（約９００℃以下）で成長される。
【００５３】
［キャリア閉込層１１］
キャリア閉込層１１は、ｐ側クラッド層１４よりも高いＡｌ混晶比を持つｐ型窒化ガリウム系化合物半導体からなり、好ましくはＡｌｃＧａ１−ｃＮ（０．１≦ｃ≦０．５）なる組成を有する。キャリア閉込層１１の好ましい膜厚は、５０〜２００Åである。また、Ｍｇ等のｐ型不純物が高濃度で、好ましくは５×１０１７〜１×１０１９ｃｍ−３の濃度でドープされている。これにより、キャリア閉込層１１は、電子を活性層中に有効に閉じ込めることができ、レーザの閾値を低下させる。また、キャリア閉込層１１は、Ｉｎを含むために分解し易い活性層１０を保護する機能を有する。即ち、キャリア閉込層１１は、分解温度の高いＡｌＧａＮから成るため、活性層１０を分解から有効に保護することができる。キャリア閉込層１１は、活性層１０の分解が進行しないように、窒素等の不活性ガス中で９００℃以下の低温で行うことが好ましい。
【００５４】
［ｎ側光ガイド層８、ｐ側光ガイド層１２］
ｎ側光ガイド層８及びｐ側光ガイド層１２は、Ａｌを実質的に含まない窒化ガリウム系化合物半導体層から成ることが好ましい。望ましくは、ＩｎｄＧａ１−ｄＮ（０≦ｄ≦１）から成り、より望ましくは、ＧａＮから成る。ｐ側光ガイド層に電流狭窄層３０を埋め込む場合には、第１ｐ側光ガイド層１２ａと第２ｐ側光ガイド層１２ｂの２層に分け、その間に電流狭窄層３０を形成する。第２ｐ側光ガイド層１２ｂをＡｌを実質的に含まない組成にすることにより、電流狭窄層３０を埋め込んだ場合に平坦化し易くなる。また、開口部におけるＡｌ不均一をなくすことができる。第１ｐ側光ガイド層１２ａと第２ｐ側光ガイド層１２ｂの組成やプロセスは、互いに異なっていても良い。特に、第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、第１ｐ側光ガイド層よりも、低屈折率であり、高不純物濃度であり、高温成長されていることが好ましい。尚、ｎ側光ガイド層に電流狭窄層３０を埋め込む場合も同様である。
【００５５】
［ｎ側クラッド層６、ｐ側クラッド層１４］
ｎ側クラッド層６及びｐ側クラッド層１４は、少なくとも一方がＡｌを含む窒化物半導体層を含み、互いにバンドギャップエネルギーが異なる窒化物半導体層を積層した超格子とすることが好ましい。ここでＡｌを含む窒化物半導体層としてはＡｌｅＧａ１−ｅＮ（０＜ｅ＜１）が好ましい。更に好ましくはＧａＮとＡｌＧａＮを積層した超格子構造とする。ｎ側クラッド層６やｐ側クラッド層１４を超格子構造とすることによって、クラッド層全体のＡｌ混晶比を上げることができるので、レーザの閾値を低下させることができる。さらに、超格子としたことにより、クラッド層自体に発生するピットが減少する。また、超格子構造を構成する一方の層に不純物を多くドープする変調ドープを行うと結晶性が良くなる。但し、両方に同じようにドープしても良い。
【００５６】
［ｐ側オーミック電極］
ｐ側コンタクト層１６の上には、ｐ側オーミック電極２０が形成される。ｐ側オーミック電極２０の幅は、開口部３２の幅よりも広く、電流狭窄層３０の幅（＝開口部を含む全幅）よりも狭いことが好ましい。このような幅にｐ側オーミック電極２０を形成することにより、開口部に効率良く電流を注入することができる。また、ｐ側オーミック電極２０は、レーザ光の導波方向と略平行な方向の長さが、電流狭窄層３０の長さよりも短いことが好ましい。このような長さにｐ側オーミック電極２０を形成することにより、開口部に一層効率良く電流を注入することができる。
【００５７】
次に、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法について説明する。
図４は、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す工程図である。まず、図４（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置の反応炉において、ウエハ上に窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を構成する半導体層をｐ側光ガイド層１２の合計膜厚の約半分まで（＝第１ｐ側光ガイド層１２ａ）積層した後、Ｉｎｘ１Ａｌｙ１Ｇａ１−ｘ１−ｙ１Ｎ（０≦ｘ１≦０．１，ｙ２＜ｙ１≦ｙ３、０＜ｘ１＋ｙ１＜１）から成る第１の半導体層２２、Ｉｎｘ２Ａｌｙ２Ｇａ１−ｘ２−ｙ２Ｎ（０≦ｘ２≦１，０≦ｙ２＜ｙ１、０≦ｘ２＋ｙ２＜１）から成る第２の半導体層２４、Ｉｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦０．１，０．５≦ｙ３≦１、０．５≦ｘ３＋ｙ３≦１）から成る電流狭窄層３０を順次成長する。
【００５８】
第１の半導体層は、レーザのｎ側又はｐ側クラッド層と同程度の高温、例えば１０００℃以上で成長することが好ましい。第１の半導体層を高温で成長することにより、結晶性が向上してエッチバックへの耐性が高まると同時に、抵抗が下がって活性層への電流注入効率が向上する。一方、第２の半導体層２４と電流狭窄層３０は、１０００℃未満、好ましくは６００℃以下の低温で成長することが好ましい。
【００５９】
次に、図４（ｂ）に示すように、ウエハを気相成長装置の反応炉から取出し、フォトレジスト３４を用いたフォトリソグラフィによって、電流狭窄層３０に開口部３２を形成する。電流狭窄層３０のエッチングは、ドライエッチングよりも、素子へのダメージの少ないウエットエッチングによって行うことが好ましい。例えば、ＡｌＮ等のＡｌ比率が高い窒化ガリウム系化合物半導体は、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ現像液に容易に溶けるため、アルカリ溶液を現像液に用いたフォトリソグラフィによって電流狭窄層３０をパターニングできる。一方、第２の半導体層２４はＡｌ比率が低いため、アルカリ溶液には溶けず、エッチングストップ層として機能する。また、このとき、第２の半導体層２４は、アルカリ溶液や雰囲気中の酸素から導波路部分の半導体層を保護する役割を果たす。
【００６０】
次に、図４（ｃ）に示すように、フォトレジスト３４を除去した後に、ウエハを再び気相成長装置の反応炉に導入し、水素等の還元性ガスを流しながら１０００℃以上の高温に保持することにより、エッチバックを行う。第２の半導体層２４は、図４（ｂ）の工程中に雰囲気中の酸素等によるダメージを受けているが、Ａｌ比率が低い窒化ガリウム系化合物半導体から成るため、開口部３２から露出した部分がエッチバックによって容易に除去される。一方、第１の半導体層２２は、Ａｌ比率が高い窒化ガリウム系化合物半導体から成るため、水素等の還元性ガス中で高温にしても容易に分解せず、エッチバックに対するエッチングストップ層として機能する。
【００６１】
次に、図４（ｄ）に示すように、電流狭窄層３０の上に第２ｐ側光ガイド層１２ｂを成長して開口部３２を平坦に埋める。このとき、第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、実質的にＡｌを含まない窒化物半導体、好ましくはＧａＮにすると、開口部３２を平坦に埋め易くなる。また、電流狭窄層３０の開口部を埋める半導体である第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、第１の半導体層の下側に接する層である第１ｐ側光ガイド層１２ａと同等か、それよりも低い屈折率を有することが好ましい。これにより、光閉じ込めが一層良好になる。さらに、電流狭窄層３０の開口部を埋める半導体である第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、第１の半導体層の下側に接する層である第１ｐ側光ガイド層１２ａと同等か、それよりも高い温度で、且つ、活性層の結晶性を維持するような温度で形成されたことが好ましい。成長温度を高くすることにより、開口部を埋めて再成長する半導体層の結晶性を高めることができ、抵抗を下げることができる。第２ｐ側光ガイド層１２ｂ以降は、通常の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法に従って、ｐ側クラッド層１４、ｐ側コンタクト層１６を順次成長すれば良い。
【００６２】
実施の形態２
実施の形態１では、ｐ側光ガイド層１２の中に電流狭窄層３０を形成したが、本実施の形態では、ｎ側光ガイド層８の中に電流狭窄層３０を形成する。その他の点は、実施の形態１と同様である。
【００６３】
図６は、実施の形態２に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザを示す断面図である。本実施の形態では、ｎ側光ガイド層８の中にストライプ状の開口部３２を有する電流狭窄層３０が形成されている。電流狭窄層３０は、高抵抗のＩｎｘ３Ａｌｙ３Ｇａ１−ｘ３−ｙ３Ｎ（０≦ｘ３≦０．１，０．５≦ｙ３≦１、０．５≦ｘ３＋ｙ３≦１）から成り、開口部３２に電流を集中してレーザの水平横モードを制御する役割を果たしている。
【００６４】
ｎ側光ガイド層８は、電流狭窄層３０の下側にある第１ｎ側光ガイド層８ａと第２ｎ側光ガイド層８ｂから成る。第１ｎ側光ガイド層８ａの上に、第１の半導体層２２及び第２の半導体層２４を介して電流狭窄層３０が形成されており、電流狭窄層３０と第２の半導体層２４を貫通して開口部３２が形成されている。そして、開口部３２を埋めるようにして、第２ｎ側光ガイド層８ｂが形成されている。
【００６５】
実施の形態１と同様に、第２の半導体層２４は、電流狭窄層３０及び第１の半導体層よりもＡｌ比率の低い窒化ガリウム系化合物半導体から成り、電流狭窄層３０にフォトリソグラフィによって開口部３２を形成する際のエッチングストップ層として機能すると共に、第１の半導体層２２を酸素等の雰囲気ガスから保護する役割を果たし、最終的には気相成長装置内で行うエッチバックによって除去される。また、第１の半導体層２２は、気相成長装置内で電流狭窄層３０上への再成長前に行うエッチバックにおいて、エッチングストップ層として機能すると共に、その下側にある第１ｎ側光ガイド層８ａをガスエッチングから保護する役割を果たす。
【００６６】
従って、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいても、第１の半導体層と第２の半導体層が相補的に作用する結果、電流狭窄層３０の開口部への反応層の残存や過剰なエッチバックによる形状異常を防止でき、安定したレーザ特性を得ることができる。
【００６７】
実施の形態３
実施の形態１では、電流狭窄層の下側にＡｌ比率の低い第２の半導体層を形成し、さらにその下側にＡｌ比率の高い第１の半導体層を形成し、第１の半導体層によって過剰なエッチバックを防止した。本実施の形態では、電流狭窄層の下側に、Ａｌ比率の低い成長下地層のみを設け、その成長下地層の結晶性を成長下地層の下側に接する層よりも低くすることによって過剰なエッチバックを防止する。その他の点は、実施の形態１と同様である。
【００６８】
図７は、実施の形態３に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザを示す断面図である。サファイア等の異種基板２の上に、ＧａＮから成るｎ側コンタクト層４、ＡｌＧａＮから成るｎ側クラッド層６、ＧａＮからなるｎ側光ガイド層８、Ｉｎを含む井戸層を有する多重量子井戸活性層１０、ＧａＮから成るｐ側光ガイド層１２、ＡｌＧａＮから成るｐ側光クラッド層１４、ＧａＮから成るｐ側コンタクト層１６が形成されている。ｐ側光ガイド層１２の中には、ストライプ状の開口部３２を有する電流狭窄層３０が形成されている。電流狭窄層３０は、高抵抗のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、開口部３２における活性層１０に電流を集中してレーザの水平横モードを制御する役割を果たしている。
【００６９】
ｐ側光ガイド層１２は、電流狭窄層３０の下側にある第１ｐ側光ガイド層１２ａと第２ｐ側光ガイド層１２ｂから成る。第１ｐ側光ガイド層１２ａの上に成長下地層２６を介して電流狭窄層３０が形成されており、電流狭窄層３０と成長下地層２６を貫通して開口部３２が形成されている。そして、開口部３２を埋めるようにして、第２ｐ側光ガイド層１２ｂが形成されている。
【００７０】
成長下地層２６は、電流狭窄層３０よりもＡｌ比率が低い窒化ガリウム系化合物半導体から成り、電流狭窄層３０にフォトリソグラフィによって開口部３２を形成する際のエッチングストップ層として機能すると共に、その下方にある第１ｐ側光ガイド層１２ａを酸素等の雰囲気ガスから保護する役割を果たし、最終的には気相成長装置内で行うエッチバックによって除去される。
【００７１】
即ち、成長下地層２６は、Ａｌ比率が低いため（好ましくは０．０５以下）、Ａｌ比率が０．５以上である電流狭窄層３０との間にアルカリ溶液に対するエッチング速度差を有しており、電流狭窄層３０に対してアルカリ溶液を用いたエッチング行う際には、エッチングされずに残存する。従って、電流狭窄層３０に開口部３２を形成する際のエッチングストップ層として機能し、過剰なエッチングの発生を防止することができる。また、成長下地層２６は、Ａｌ比率の低い窒化ガリウム系化合物半導体から成るため、大気中に含まれる酸素等に対する反応速度が遅い。そのため、成長下地層２６は、気相成長装置の外部で行うフォトリソグラフィのプロセスにおいて、その下にある第１ｐ側光ガイド層１２ａを酸素等の雰囲気ガスから有効に保護することができる。
【００７２】
一方、成長下地層２６自身の表面には、フォトリソグラフィを用いたエッチングや大気等の雰囲気に曝されることによってダメージが残る。しかしながら、成長下地層２６は、実質的にＡｌを含まない窒化物半導体から成る結果、水素等の還元ガスに高温下で曝すと容易に分解する。従って、ダメージの残った成長下地層２６は、気相成長装置内で行うエッチバックによって電流経路である開口部３２から容易に除去される。
【００７３】
しかしながら、このエッチバックにおいて、成長下地層２６と第１ｐ側光ガイド層１２ａの間にエッチング速度差がなければ、第１ｐ側光ガイド層１２ａに対して過剰にエッチバックが進行し易くなる。そこで本実施の形態では、成長下地層２６の結晶性を、その下側に接する層である第１ｐ側光ガイド層よりも低くすることによって、エッチバックに対するエッチング速度差を持たせる。即ち、成長下地層２６の結晶性を第１ｐ側光ガイド層１２ａよりも低くすることにより、エッチバックの速度が成長下地層２６に対しては速く進行し、第１ｐ側光ガイド層１２ａに対してはゆっくり進行するようにする。これにより、成長下地層２６のみを選択的に除去することが可能になる。
【００７４】
従って、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいても、電流狭窄層３０の開口部への反応層の残存や過剰なエッチバックによる形状異常を防止でき、安定したレーザ特性を得ることができる。
【００７５】
成長下地層２６は、電流狭窄層３０よりもＡｌ比率の小さな窒化ガリウム系化合物半導体、即ち一般式がＩｎｘ’Ａｌｙ’Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’＜ｙ、０≦ｘ’＋ｙ’＜１）の一般式で示される窒化ガリウム系化合物半導体から成る。成長下地層２６のＡｌ比率が低い程、ウエットエッチングにおける電流狭窄層３０とのエッチング速度差が大きくなり、エッチバックによる除去が容易になる。成長下地層２６の好ましいＡｌ比率ｙ４は、０．１以下、より好ましくは０．０５以下、さらに好ましくは実質的にＡｌを含まない組成とすることが望ましい。
【００７６】
また、成長下地層２６は、Ｉｎを含んでいることが好ましい。成長下地層２６がＩｎを含むことにより、選択的なエッチバックが容易になると共に、導波路から漏れた迷光を吸収する効果も得られる。従って、成長下地層２６のＩｎ比率ｘ’は０〜０．２が好ましく、より好ましくは０．０５〜０．１５である。以上より、成長下地層２６の好ましい組成は、ＩｎｆＧａ１−ｆＮ（０≦ｆ≦０．２）である。
【００７７】
成長下地層２６の結晶性をその下側に接する層よりも低くするには、例えば、成長下地層のＩｎ混晶比を、その下側に接する層よりも高くするか、又は、下側に接する層よりも成長温度を低くすれば良い。即ち、成長下地層２６のＩｎ比率が高くなる程、水素等の還元性雰囲気に高温でさらしたときの分解速度が速くなる。従って、成長下地層のＩｎ比率が第１ｐ側光ガイド層１２ａよりも高ければ、成長下地層２６を選択的に除去することができる。また、成長下地層２６の成長温度が低くなる程、水素等の還元性雰囲気に高温でさらしたときの分解速度が速くなる。従って、成長下地層２６の成長温度がその下側に接する層よりも低ければ、成長下地層２６と第１ｐ側光ガイド層１２ａの組成が同じＧａＮであっても、成長下地層２６を選択的に除去することができる。また、成長下地層２６は、その下側に接している層よりも不純物濃度を高くすることによっても、結晶性を低下させることができる。
【００７８】
尚、成長下地層２６を、不純物濃度の高い層（例えば、５×１０１８個ｃｍ−３以上）としたり、Ｉｎを含む層とすることによって、活性層の迷光を吸収しやすくなる。従って、高次モードの発生を抑制し、安定したシングルモードのレーザ光とすることができる。
【００７９】
成長下地層２６の成長温度を下げることによって、選択的なエッチバックを行う場合、成長温度を９００℃以下、より好ましくは６００℃以下にすることが望ましい。成長下地層２６の結晶性を下げる手段として、Ｉｎ比率を高める方法と、成長温度を下げる方法を併用しても良い。また、成長下地層２６は、アモルファス状態又は多結晶とすることが好ましい。成長下地層２６を、アモルファス状態又は多結晶とすることにより、単結晶よりも除去が容易になる。また、成長下地層自身が高抵抗なそうとなるため、その上に接して形成される電流狭窄層との相乗効果により、より優れた電流狭窄効果を得ることができる。また、電流狭窄層の膜厚を薄くすることも可能になる。
【００８０】
尚、成長下地層２６の結晶性が低下すれば、その上に成長させる電流狭窄層３０の除去が容易になる効果もある。即ち、電流狭窄層３０の下側に接する層の結晶性が良い場合、電流狭窄層３０の結晶性が層境界近傍で部分的に高くなり、その部分がエッチングによって除去し難くなる。そこで、電流狭窄層３０の下側に接する層である成長下地層２６の結晶性を低くすることにより、電流狭窄層３０の結晶性が成長初期から低くなり、開口部３２内における電流狭窄層３０の除去も容易になる。
【００８１】
成長下地層２６は、薄すぎては第１ｐ側光ガイド層１２ａの保護が不十分となり、厚すぎては段差の影響が大きくなる。段差が大きくなると、電流狭窄層の上に再成長させる半導体層がフラットになりにくい。そこで、成長下地層２６の膜厚は、１０Å以上３００Å以下が好ましく、より好ましくは５０Å以上２００Å以下である。
【００８２】
成長下地層２６の下側に接する層は、光ガイド層であることが好ましい。光ガイド層に接するように電流狭窄構造を形成することにより、光閉じ込めの制御が容易になる。
【００８３】
次に、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法について説明する。
図８は、実施の形態３に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法を示す工程図である。まず、図８（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ装置等の気相成長装置の反応炉において、ウエハ上に窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を構成する半導体層をｐ側光ガイド層１２の合計膜厚の約半分まで（＝第１ｐ側光ガイド層１２ａ）積層した後、Ｉｎｘ’Ａｌｙ’Ｇａ１−ｘ’−ｙ’Ｎ（０≦ｘ’≦１，０≦ｙ’＜ｙ、０≦ｘ’＋ｙ’＜１）から成る成長下地層２６、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成る電流狭窄層３０を順次成長する。ここで、成長下地層２６は、Ｉｎ比率を高めるか、成長温度を低くすることにより、第１ｐ側光ガイド層１２ａよりも結晶性が低くなるように形成する。
【００８４】
次に、図８（ｂ）に示すように、ウエハを気相成長装置の反応炉から取出し、フォトレジスト３４を用いたフォトリソグラフィによって、電流狭窄層３０に開口部３２を形成する。電流狭窄層３０のパターニングは、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ現像液を用いたフォトリソグラフィによって行うことが好ましい。成長下地層２６はＡｌ比率が低いため、テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド（ＴＭＡＨ）等には溶け難く、エッチングストップ層として機能する。また、このとき、成長下地層２６は、アルカリ溶液や雰囲気中の酸素から導波路部分の半導体層を保護する役割を果たす。
【００８５】
次に、図８（ｃ）に示すように、フォトレジスト３４を除去した後に、ウエハを再び気相成長装置の反応炉に導入し、水素等の還元性ガスを流しながら１０００℃以上の高温に保持することにより、エッチバックを行う。成長下地層２６は、図８（ｂ）の工程中に雰囲気中の酸素等によるダメージを受けているが、第１ｐ側光ガイド層１２ａよりも結晶性が低くなるように形成されているため、開口部３２から露出した部分がエッチバックによって選択的に除去される。このとき、第１ｐ側光ガイド層１２ａは、いわばエッチバックに対するエッチングストップ層として機能する。
【００８６】
次に、図８（ｄ）に示すように、電流狭窄層３０の上に第２ｐ側光ガイド層１２ｂを成長して開口部３２を平坦に埋める。このとき、第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、実質的にＡｌを含まない窒化物半導体、好ましくはＧａＮにすると、開口部３２を平坦に埋め易くなる。また、電流狭窄層３０の開口部を埋める半導体である第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、成長下地層の下側に接する層である第１ｐ側光ガイド層１２ａと同等か、それよりも低い屈折率を有することが好ましい。これにより、光閉じ込めが一層良好になる。さらに、電流狭窄層３０の開口部を埋める半導体である第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、下地成長層の下側に接する層である第１ｐ側光ガイド層１２ａと同等か、それよりも高い温度で、且つ、活性層の結晶性を維持するような温度で形成されたことが好ましい。成長温度を高くすることにより、開口部を埋めて再成長する半導体層の結晶性を高めることができ、抵抗を下げることができる。第２ｐ側光ガイド層１２ｂ以降は、通常の窒化ガリウム系化合物半導体レーザの製造方法に従って、ｐ側クラッド層１４、ｐ側コンタクト層１６を順次成長すれば良い。
【００８７】
実施の形態４
実施の形態３では、ｐ側光ガイド層１２の中に電流狭窄層３０を形成したが、本実施の形態では、ｎ側光ガイド層８の中に電流狭窄層３０を形成する。その他の点は、実施の形態３と同様である。
【００８８】
図９は、実施の形態４に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザを示す断面図である。本実施の形態では、ｎ側光ガイド層８の中にストライプ状の開口部３２を有する電流狭窄層３０が形成されている。電流狭窄層３０は、高抵抗のＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦０．１，０．５≦ｙ≦１、０．５≦ｘ＋ｙ≦１）から成り、開口部３２に電流を集中してレーザの水平横モードを制御する役割を果たしている。
【００８９】
ｎ側光ガイド層８は、電流狭窄層３０の下側にある第１ｎ側光ガイド層８ａと第２ｎ側光ガイド層８ｂから成る。第１ｎ側光ガイド層８ａの上に、成長下地層２６を介して電流狭窄層３０が形成されており、電流狭窄層３０と成長下地層２６を貫通して開口部３２が形成されている。そして、開口部３２を埋めるようにして、第２ｎ側光ガイド層８ｂが形成されている。
【００９０】
実施の形態３と同様に、成長下地層２６は、実質的にＡｌを含まない窒化物半導体から成り、第１ｎ側光ガイド層８ａよりも結晶性が低くなるように形成されている。従って、電流狭窄層３０にフォトリソグラフィによって開口部３２を形成する際のエッチングストップ層として機能すると共に、第１ｎ側光ガイド層８ａを酸素等の雰囲気ガスから保護する役割を果たし、最終的には気相成長装置内で行うエッチバックによって選択的に除去される。
【００９１】
従って、本実施の形態に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいても、実施の形態３と同様に、電流狭窄層３０の開口部への反応層の残存や過剰なエッチバックによる形状異常を防止でき、安定したレーザ特性を得ることができる。
【００９２】
実施の形態１乃至４に示したように、本発明に係る電流狭窄層３０は、活性層のｐ側とｎ側のいずれに形成しても良い。一般的な窒化ガリウム系化合物半導体素子では、ｐ型窒化ガリウム系化合物半導体が高抵抗であるために、ｎ側層、活性層、ｐ側層の順序で成長を行う。従って、実施の形態２又は４のように、活性層のｎ側に電流狭窄層３０を形成した場合、結晶性の悪い電流狭窄層３０から発生した転位が活性層１０を通過することになる。また、第２のｎ側光ガイド層８ｂによる平坦化が十分でない場合には、活性層１０が平坦にならず、リーク電流が流れ易くなる。このため、実施の形態１又は３のように活性層のｐ側に形成する方が好ましい。また、活性層のｐ側に電流狭窄層を形成すれば、活性層への電流を効率良く制御することができるため効率的にレーザ発振を行うことが可能である。また、活性層まで連続的に成長した後に、気相成長炉から取出すことになるため、活性層へのダメージも少なくなる。
【００９３】
一方、活性層のｎ側に電流狭窄層を形成した場合、開口部上の活性層の両側に転位が多く存在することになる。この転位の部分は、Ｉｎが多く含まれるようになるため、発光部よりもＩｎの混晶比が高くなり、可飽和吸収域となる。そのため、パルせーションレーザとすることができる。
【００９４】
また、上記実施の形態１乃至４では、光ガイド層の内部に電流狭窄層３０を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、光ガイド層とクラッド層の間や、クラッド層の内部に形成しても良い。もっとも、電流狭窄層３０が活性層１０からあまり遠いと、電流狭窄層３０によって集中された電流が活性層１０に到達する前に広がり易くなる。従って、電流狭窄層３０の位置は、活性層１０の結晶性に悪影響を与えない範囲で活性層１０に近い方が好ましい。また、電流狭窄層３０の上に形成する層は、Ａｌを実質的に含まない窒化ガリウム系化合物半導体であることが平坦化に有利である。従って、本実施の形態で説明したように、ＧａＮから成る光ガイド層の内部に電流狭窄層３０を形成することは、電流狭窄効果や平坦化の観点で好ましい。
【００９５】
尚、本件発明に係る窒化物半導体レーザは、フェイスアップ実装とフェイスダウン実装のいずれも可能である。
【００９６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１では、図１に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を製造する。
【００９７】
（基板２）
まず、２インチφ、Ｃ面を主面とするサファイアよりなる異種基板をＭＯＣＶＤ反応容器内にセットし、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、アンモニア（ＮＨ３）を用い、ＧａＮよりなるバッファ層を２００Åの膜厚で成長させた後、温度を上げて、アンドープのＧａＮを１．５μｍの膜厚で成長させる。次に、ＧａＮ層表面にストライプ状のマスクを複数形成し、マスク開口部からＧａＮを選択成長させて、横方向の成長を伴った成長（ＥＬＯＧ）によりＧａＮ層を形成する。この時、選択成長時のマスクは、ＳｉＯ２からなり、マスク幅１５μｍ、開口部（窓部）幅５μｍとする。
【００９８】
（バッファ層）
次に、温度を１０５０℃にして、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、アンモニアを用い、基板２の上にＡｌＧａＮよりなるバッファ層（図示せず）を４μｍの膜厚で成長させる。この層は、次に形成するｎ側コンタクト層４と基板２との間で、バッファ層として機能する。
【００９９】
（ｎ側コンタクト層４）
次に、前記バッファ層上にＴＭＧ、ＴＭＡ、アンモニア、不純物ガスとしてシランガスを用いて、１０５０℃でＳｉドープしたＡｌＧａＮよりなるｎ型コンタクト層４を４μｍの膜厚で成長させる。
【０１００】
（クラック防止層）
次に、ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、アンモニアを用い、温度を９００℃にして、ＩｎＧａＮよりなるクラック防止層（図示せず）を０．１５μｍの膜厚で成長させる。
【０１０１】
（ｎ側クラッド層６）
次に、温度を１０５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＡｌＧａＮよりなるＡ層を２５Åの膜厚で成長させ、続いて、ＴＭＡを止め、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＧａＮよりなるＢ層を２５Åの膜厚で成長させる。そして、この操作をそれぞれ繰り返して、総膜厚１μｍの多層膜（超格子構造）よりなるｎ型クラッド層６を成長させる。この時、アンドープＡｌＧａＮのＡｌ混晶比としては、０．０５以上０．３以下の範囲であれば、十分にクラッド層として機能する。
【０１０２】
（ｎ側光ガイド層８）
次に、温度１０５０℃で、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｎ型光ガイド層１０６を０．１５μｍの膜厚で成長させる。また、ｎ型不純物をドープしても良い。
【０１０３】
（活性層１０）
次に、温度を９００℃にして、原料ガスにＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ及びアンモニウムを用い、不純物ガスとしてシランガスを用い、Ｓｉを５×１０１８／ｃｍ３ドープしたＩｎ０．０５Ｇａ０．９５Ｎよりなる障壁層（Ｂ）を１４０Åの膜厚で成長し、シランガスを止め、アンドープのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりなる井戸層（Ｗ）を４０Åの膜厚で成長し、この障壁層（Ｂ）と井戸層（Ｗ）を、障壁層／井戸層／障壁層／井戸層／・・・・／障壁層／井戸層／障壁層の順に積層する。最終層は、井戸層でも障壁層でも良いが、障壁層とすることが好ましい。活性層１０は、総膜厚約５００Åの多重量子井戸構造（ＭＱＷ）となる。
【０１０４】
（キャリア閉込層）
次に、同様の温度で、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、及びアンモニアを用い、不純物ガスとしてＣｐ２Ｍｇ（シクロペンタジエニルマグネシウム）を用い、Ｍｇを１×１０１９／ｃｍ３ドープしたＡｌＧａＮよりなるｐ側キャリア閉込層１１（図１に図示せず）を１００Åの膜厚で成長させる。この層を設けることにより、電子の閉じ込めが良好になると共に、活性層１０を分解から保護することができる。
【０１０５】
（ｐ側光ガイド層１２ａ）
続いて、温度を１０００℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなるｐ側光ガイド層１２ａを０．０７５μｍの膜厚で成長させる。この第１ｐ側光ガイド層１２ａは、アンドープとして成長させるが、ｐ側キャリア閉込層１１、ｐ側クラッド層１４等の隣接層からのＭｇの拡散により、Ｍｇ濃度が５×１０１６／ｃｍ３となりｐ型を示す。また、この層は、成長時に意図的にＭｇをドープしてもよい。
【０１０６】
（第１の半導体層２２、第２の半導体層２４）
次に、温度を１０００℃に保ったまま、原料ガスにＴＭＡ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ｎから成る第１の半導体層を成長する。第１の半導体層２２の膜厚は、７０Åとする。第１の半導体層には、Ｍｇをドープする。そして、温度を８００℃に下げ、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎから成る第２の半導体層を、１００Åの膜厚で成長する。
【０１０７】
（電流狭窄層３０）
次に、温度を５００℃にして、原料ガスにＴＭＡ及びアンモニアを用い、ＡｌＮよりなる電流狭窄層３０を３００Åの膜厚で成長させる。そして、そこまで積層したウエハをＭＯＣＶＤ反応装置の反応炉より取り出し、以下のようにしてストライプ状の開口部３２を設ける。まず、電流狭窄層３０のほぼ全面にフォトレジストを塗布する。次に、開口部３２のパターンに露光を行った後、アルカリ液であるＴＭＡＨを用いた現像処理を行う。ＡｌＮ層３０はアルカリ現像液に溶けるので、現像処理と同時に開口部３２の部分のＡｌＮ層３０がエッチング除去される（図４ｂ）。一方、Ｉｎ０．０８Ｇａ０．９２Ｎから成る第２の半導体層は、アルカリ液に溶けないため、ＡｌＮ層３０のエッチングに対するエッチングストップ層として機能する。その後、残っているレジスト膜を灰化除去（アッシング）し、酸洗浄を行う。
【０１０８】
次に、ウエハをＭＯＣＶＤ装置の反応炉に戻し、温度を１０００℃にして、還元性ガスである水素ガスを吹き付けることにより、エッチバックを行う。ＡｌＮから成る電流狭窄層３０とＡｌ組成比が０．２である第１の半導体層２２は、分解温度が高いため、ＩｎＧａＮから成る第２の半導体層２４に比べてエッチバックによる分解速度が遅い。従って、このエッチバックによって、開口部３２から露出した第２の半導体層２４が選択的に除去される。
【０１０９】
（第２ｐ側光ガイド層１２ｂ）
次に、温度を１０００℃にして、原料ガスにＴＭＧ及びアンモニアを用い、アンドープのＧａＮよりなる第２ｐ側光ガイド層１２ｂを０．０７５μｍの膜厚で成長させる。この第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、Ｍｇをドープしながら成長させる。第２ｐ側光ガイド層１２ｂは、Ａｌを含んでいないため、開口部３２の段差を埋めて平坦に成長し易い。
【０１１０】
（ｐ側クラッド層１４）
続いて、１０００℃でアンドープＡｌＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、続いてＴＭＡを止め、Ｃｐ２Ｍｇを用いて、ＭｇドープＧａＮよりなる層を２５Åの膜厚で成長させ、それを９０回繰り返して総膜厚０．４５μｍの超格子層よりなるｐ側クラッド層１４を成長させる。
【０１１１】
（ｐ側コンタクト層１６）
最後に、温度１０００℃で、ｐ側クラッド層１４の上に、Ｍｇを１×１０２０／ｃｍ３ドープしたｐ型ＧａＮよりなるｐ側コンタクト層１６を１５０Åの膜厚で成長させる。ｐ側コンタクト層１６は、ｐ型の窒化ガリウム系化合物半導体で構成することができ、好ましくはＭｇをドープしたＧａＮとすれば、ｐ電極２０と最も好ましいオーミック接触が得られる。ｐ側コンタクト層１６は、電極を形成する層であるので、１×１０１７／ｃｍ３以上の高キャリア濃度とすることが望ましい。１×１０１７／ｃｍ３よりも低いと、電極と好ましいオーミックを得るのが難しくなる傾向にある。反応終了後、反応容器内において、ウエハを窒素雰囲気中、７００℃でアニーリングを行い、ｐ型層を更に低抵抗化する。
【０１１２】
以上のようにして窒化物半導体を成長させ各層を積層した後、ウエハを反応容器から取り出し、最上層のｐ側コンタクト層１６の表面にＳｉＯ２よりなる保護膜（図示せず）を形成する。ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によりエッチングし、図１に示すように、ｎ電極を形成すべき領域のｎ側コンタクト層４の表面を露出させる。このように窒化物半導体を深くエッチングするには保護膜としてＳｉＯ２が最適である。
【０１１３】
次に、ｐ側コンタクト層１６の表面にＮｉ／Ａｕよりなるストライプ状のｐ電極２０を形成し、ｎ側コンタクト層４の表面にＴｉ／Ａｌよりなるストライプ状のｎ電極１８を形成する。そして、ｎ電極１８及びｐ電極２０の一部の領域にマスクし、ＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜を形成した後、ｎ電極１８及びｐ電極２０上にＮｉ−Ｔｉ−Ａｕ（１０００Å―１０００Å―８０００Å）よりなる取り出し（パット）電極をそれぞれ設ける。この時、活性層１０の幅は、２００μｍの幅（共振器方向に垂直な方向の幅）であり、共振器面（反射面側）にもＳｉＯ２とＴｉＯ２よりなる誘電体多層膜が設けられる。ｎ電極１８とｐ電極２０を形成した後、ストライプ状の電極に垂直な方向で、窒化物半導体のＭ面（ＧａＮのＭ面（１１−００）等）でバー状に分割し、更にチップに分割してレーザ素子を得る。この時、共振器長は、６５０μｍである。
【０１１４】
このようにして製造したレーザ素子は、閾値電流：３５ｍＡ、Ｖｆ：３．８Ｖ、Ｅｔａ：１．３Ｗ／Ａ、θ（‖）：８ｄｅｇ、θ（⊥）：２２ｄｅｇとなる。また、８０ｍＷまでキンクが発生せず、良好な素子特性を示す。
【０１１５】
［実施例２］
実施例２では、図６に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を製造する。実施例１では、第１の半導体層２、第２の半導体層２４及び電流狭窄層３０をｐ側光ガイド層１２の中に形成したが、本実施例ではｎ側光ガイド層８の中に形成する。即ち、第１ｎ側光ガイド層８ａを０．０７５μｍの膜厚で成長した後、第１の半導体層２２、第２の半導体層２４、電流狭窄層３０を形成し、第２ｎ側光ガイド層８ｂを０．０７５μｍの膜厚で形成する。このようにして製造したレーザ素子は、閾値電流４５ｍＡのパルセーションレーザとなる。また、周波数：２ＧＨｚ、ＲＩＮ：−１３０ｄＢ／Ｈｚとなる。
【０１１６】
［実施例３］
実施例３では、図７に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを製造する。まず、第１ｐ側光ガイド層１２ａまでは実施例１と同様に積層する。
【０１１７】
（成長下地層２６）
次に、温度を８００℃に下げ、原料ガスにＴＭＩ、ＴＭＧ、アンモニアを用い、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎから成る成長下地層２６を、５０Åの膜厚で成長する。
【０１１８】
（電流狭窄層３０）
次に、温度を４５０℃にして、原料ガスにＴＭＡ及びアンモニアを用い、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ｎよりなる電流狭窄層３０を５０Åの膜厚で成長させる。そして、そこまで積層したウエハをＭＯＣＶＤ反応装置の反応炉より取り出し、実施例１と同様に、アルカリ現像液を用いてＡｌ０．９Ｇａ０．１Ｎ膜３０をエッチングし、ストライプ状の開口部３２を設ける。このとき、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎから成る成長下地層２６は、アルカリ液に溶けないため、Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ｎ層３０のエッチングに対するエッチングストップ層として機能する。
【０１１９】
次に、ウエハをＭＯＣＶＤ装置の反応炉に戻し、温度を１０００℃にして、還元性ガスである水素ガスを吹き付けることにより、エッチバックを行う。Ｉｎ□Ｇａ□Ｎから成る成長下地層層２６は、分解温度の低いＩｎＮを混晶に含み、かつ低温で成長された結果、高温で還元性雰囲気に曝すと容易に分解する。即ち、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎから成る成長下地層２６は、１０００℃の高温で成長されたＧａＮから成る第１ｐ側光ガイド層１２ａや、分解温度の高いＡｌＮから成る電流狭窄層３０に比べて、エッチバックによって容易に除去される。従って、エッチバックの条件を適切に選択することにより、成長下地層２６のみを選択的に除去することができる。
【０１２０】
この後、第２ｐ側光ガイド層１２ｂ以降は、実施例１と同様にして窒化ガリウム系化合物半導体レーザを製造する。
【０１２１】
このようにして製造したレーザ素子は、発振波長４０５ｎｍ、閾値電流４０ｍＡ、Ｖｆ：３．６Ｖ、Ｅｔａ：１．２Ｗ／Ａ、θ（‖）：７ｄｅｇ、θ（⊥）：２０ｄｅｇ、８０Ｗまでキンクが発生せず、良好な素子特性を有する。
【０１２２】
［実施例４］
実施例４では、図９に示す構造の窒化ガリウム系化合物半導体レーザを製造する。実施例３では、成長下地層２６及び電流狭窄層３０をｐ側光ガイド層１２の中に形成したが、本実施例ではｎ側光ガイド層８の中に形成する。即ち、第１ｎ側光ガイド層８ａを０．０７５μｍの膜厚で成長した後、成長下地層２６、電流狭窄層３０を形成し、第２ｎ側光ガイド層８ｂを０．０７５μｍの膜厚で形成するこのようにして作製したレーザは、閾値電流４０ｍＡ、Ｖｆ：３．９Ｖ、Ｅｔａ：１．２Ｗ／Ａ、θ（‖）：７ｄｅｇ、θ（⊥）：２４ｄｅｇ、８０Ｗまでキンクが発生せず、良好な素子特性を有する。
【０１２３】
［実施例５］
実施例５では、複数のストライプ構造を有するマルチストライプレーザを作製する。下記に説明する点を除いては、基本的に実施例１と同様である。本実施例では、ＧａＮ基板を用い、素子構造を第１ｐ側光ガイド層まで形成した後、Ａｌ０．１Ｇａ０．９Ｎから成る第１の半導体層を２００Åの膜厚で成長し、ＧａＮから成る第２の半導体層を１００Åの膜厚で成長し、Ａｌ０．９５Ｉｎ０．０１Ｇａ０．０４Ｎから成る電流狭窄層を２００Åの膜厚で成長した後、開口部を形成した。開口部は、２μｍ幅で、２０μｍの間隔を空けて４本作製した。そして、第２ｐ側光ガイド層を再成長し、残りの素子層を形成した。このようにしてリッジ幅が２μｍのレーザが４本並列したマルチストライプレーザを構成すると、閾値電流１００ｍＡ、Ｅｔａ：１．６Ｗ／Ａ、Ｐｏ：２００ｍＷとなり、良好な素子特性を示した。
【０１２４】
【発明の効果】
本発明によれば、電流狭窄層の下方に所定のＡｌ比率や結晶性を有する成長下地層層を形成したため、電流狭窄層の開口部への反応層の残存や過剰なエッチバックによる形状異常を防止でき、安定したレーザ特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態１に示す窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を示す部分拡大断面図である。
【図３】図３は、従来の窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図４】図４（ａ）乃至（ｄ）は、実施の形態１に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法を示す工程図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザにおいて電流狭窄層の形成領域を表した平面図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態２に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザを示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態３に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子を示す断面図である。
【図８】図８（ａ）乃至（ｄ）は、実施の形態３に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザ素子の製造方法を示す工程図である。
【図９】図９は、本発明の実施の形態４に係る窒化ガリウム系化合物半導体レーザを示す断面図である。
【符号の説明】
２・・・基板（ＧａＮ基板）、
４・・・ｎ側コンタクト層、
６・・・ｎ側クラッド層、
８・・・ｎ側光ガイド層、
１０・・・活性層、
１２・・・ｐ側光ガイド層、
１４・・・ｐ側クラッド層、
１６・・・ｐ側コンタクト層、
１８・・・ｎ電極、
２０・・・ｐ電極、
２２・・・第１の半導体層、
２４・・・第２の半導体層、
２６・・・成長下地層、
３０・・・電流狭窄層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2005019835.tif 000008
【図７】
2005019835.tif 000009
【図８】
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【図９】
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